CN217821323U - 一种多路微弱生物电信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种多路微弱生物电信号采集系统，属于信号采集技术领域。本申请包括：通过AD采样芯片采集微弱信号，通过信号放大器在信号采集前对微弱信号进行放大，通过单片机将数据上传至PC端，同时对AD采样芯片进行控制，通过将多个AD采样芯片的SCLK引脚、CS引脚以及DIN引脚分别与单片机的三个SPI接口共接，使得单片机只需接出3个信号即可同时控制所有的AD采样芯片，使得所有的AD采样芯片的动作在同一时刻保持一致，通过上述的方案，既节省了单片机的引脚资源，还降低了系统接线的复杂程度。

Description

一种多路微弱生物电信号采集系统

技术领域

本申请属于信号采集技术领域，具体涉及一种多路微弱生物电信号采集系统。

背景技术

在涉及到生物电信号采集时，由于生物电信号信号微弱，信号路数多，需要使用多个信号放大器对每一路生物电信号进行放大，这样就需要使用多个AD采样芯片，而AD采样芯片与单片机进行连接时，单片机共有16根线与每个AD采样芯片连接，包括3个SPI控制线CS、SCLK、DIN，以及13个SPI数据输入线DOUT0～DOUT12，CS、SCLK、DIN控制AD采样芯片的工作状态，DOUT0～DOUT12接收AD采样芯片的数据，这样的连接方式导致系统连线的复杂度高，占用单片机的引脚资源多。

实用新型内容

为此，本申请提供一种多路微弱生物电信号采集系统，通过本申请提供的方案解决现有的生物电信号采集系统中，AD采样芯片与单片机连接时，占用的单片机引脚资源多，连线复杂程度高的问题。

为实现以上目的，本申请采用如下技术方案：

一种多路微弱生物电信号采集系统，其特征在于，包括：

信号放大器、AD采样芯片以及单片机；

所述信号放大器与所述AD采样芯片连接，所述AD采样芯片与所述单片机连接；

所述信号放大器以及AD采样芯片均设置有多个，所述AD采样芯片用于采集生物电信号，所述信号放大器用于信号采集前对每一路生物电信号进行放大；

所述多个信号放大器与一个AD采样芯片连接，所述多个AD采样芯片与单片机连接；

所述多个AD采样芯片的SCLK引脚与单片机的第一SPI接口共接；

所述多个AD采样芯片的CS引脚与单片机的第二SPI接口共接；

所述多个AD采样芯片的DIN引脚与单片机的第三SPI接口共接。

优选地，

所述单片机采用STM32F407，所述单片机的采样频率为20kHz。

优选地，

还包括USB通信模块，所述USB通信模块与单片机连接。

优选地，

所述信号放大器的信号放大电路为反相放大电路。

优选地，

所述信号放大器采用AD8628AR。

优选地，

所述AD采样芯片采用ADS8028。

优选地，

所述多个信号放大器采用同一个±2.5V电源进行供电，所述多个AD采样芯片采用3.3V电源进行供电。

本申请采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

本申请通过将多个AD采样芯片的SCLK引脚、CS引脚以及DIN引脚分别与单片机的三个SPI接口共接，使得单片机只需接出3个信号即可同时控制所有的AD采样芯片，使得所有的AD采样芯片的动作在同一时刻保持一致，通过上述的方案，既节省了单片机的引脚资源，还降低了系统接线的复杂程度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据一示例性实施例示出的一种多路微弱生物电信号采集系统的系统示意图；

图2是根据另一示例性实施例示出的反相放大电路的电路原理示意图；

图3是根据另一示例性实施例示出的AD采样芯片的引脚示意图；

附图中：1-信号放大器，2-AD采样芯片，3-单片机。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。

请参阅图1，图1是根据一示例性实施例示出的一种多路微弱生物电信号采集系统的系统示意图，该系统应用于信号采集技术领域，包括：

信号放大器1、AD采样芯片2以及单片机3；

所述信号放大器1与所述AD采样芯片2连接，所述AD采样芯片2与所述单片机3连接；

所述信号放大器1以及AD采样芯片2均设置多个，所述AD采样芯片2用于采集生物电信号，所述信号放大器1用于信号采集前对每一路生物电信号进行放大；

所述多个信号放大器1与一个AD采样芯片2连接，所述多个AD采样芯片2与单片机3连接；

所述多个AD采样芯片2的SCLK引脚与单片机3的第一SPI接口共接；

所述多个AD采样芯片2的CS引脚与单片机3的第二SPI接口共接；

所述多个AD采样芯片2的DIN引脚与单片机3的第三SPI接口共接；

可以理解的是，本实施例针对输入信号为-50mV～0V的微弱生物电信号，以下实施例均以100路-50mV～0V的微弱生物电信号为例，由于生物电信号微弱，对信号采集之前要对每一路生物电信号进行放大，因此需要100路信号放大器1，本实施例使用8路AD采样芯片2，一块AD采样芯片2能够采样8路信号，则100路信号总共需要ceil(100/8)＝13块AD采样芯片2，也就是说，单片机3仅控制信号就需要接出3×13＝39个引脚，极大的浪费了单片机的引脚资源，同时导致系统的接线难度增大，所以，为了解决这一问题，本实施例将13块AD采样芯片2的SCLK引脚短接，将13个CS引脚短接，将13个DIN引脚短接，这样13块AD采样芯片2统一受同一个SCLK信号控制，他们的CS和DIN也分别由同一个信号控制，这样单片机3只需接出3个信号即可同时控制所有的AD采样芯片2，也就是说13块AD采样芯片2的动作在同一时刻保持一致。

优选地，

所述单片机3采用STM32F407，所述单片机的采样频率为20kHz；

可以理解的是，本实施例中，对单片机3的采样频率的要求为20kHz，ADC的时钟供给至少要20kHz/路×100路×16bit＝32MHz，也就是单片机3的IO翻转速率至少要32MHz，但是一些指令会占用CPU的很多时间，所以单片机3的主频应远高于32MHz，为了满足这一要求，单片机3选用STM32F407，它的主频是168MHz。

优选地，

还包括USB通信模块，所述USB通信模块与单片机3连接；

可以理解的是，本实施例中，单片机3还连接有USB通信模块，通过USB协议将数据上传至PC端。

优选地，

所述信号放大器1的信号放大电路为反相放大电路；

可以理解的是，如附图2所示，该反相放大电路的供电电压为±2.5V(绝对不能超过该值)，放大倍数为Av＝R1/R3＝100(倍)，输入阻抗为Rin＝R3//R4＝(1kΩ*10kΩ)/(1kΩ+10kΩ)≈R3＝1kΩ，值得强调的是，R4在电路中不起功能性的作用，加上它的原因是：当没有信号输入时，保证反相端输入脚不浮空，使反相端接地，OUT输出为0，在调试时，必须将R4焊上，否则反相端悬空，信号会产生严重干扰，当接入实际系统时，即前级为MOS管时，可将R4去掉，因为R4会对输入电阻产生轻微影响，R2是平衡电阻，按惯例一般取R1//R3≈1kΩ，但实际取值并不影响电路功能，因为电阻两端电压差为0，电位也为0，R3按惯例一般取1kΩ～10kΩ，取太小会导致电路电流太大，取太大容易受噪声影响，在放大倍数为100倍，电源电压5V(±2.5V)的条件下，信号放大器1的带宽约为10kHz。

优选地，

所述信号放大器1采用AD8628AR；

可以理解的是，在信号放大器1选型时，为尽量减小系统噪声，要注意使用超低失调电压的运放，同时放大电路应设计成反相放大电路，以保证AD采样芯片2的输入为正电压，由于信号放大器1路数很多，所以信号放大器1要使用超低功耗的运放，避免系统的过度发热，为了满足上述条件，本申请选用ADI公司推出的AD8628AR，它是一款超低功耗、超低失调电压的自稳零运放芯片，它的工作电压为±2.5V，工作电流最大为1mA，功率不超过5mW，它的失调电压仅为1uV。该运放采用了ADI公司的电路拓扑结构，能够轨到轨输出信号，在实现低噪声的同时不需要外接电容，使得简单的电路设计就可以实现低噪声、高精度的信号放大。

优选地，

所述AD采样芯片2采用ADS8028；

可以理解的是，在20kHz的采样率要求下，一片8路串行AD采样芯片2的采样率至少要有160KSPS，为了满足上述的要求，本实施例选用TI公司的8路逐次逼近式AD芯片ADS8028，最高采样速度可达1MSPS，满足我们的要求，最大功耗17mW，不算很高。此外，这片芯片使用QFN-20封装，体积非常小，内部集成了2.5V的参考源以及采样保持前端，使用极少的外部电路就可以实现AD采样功能，附图3为ADS8028的引脚示意图，该芯片使用SPI接口与外部进行通信，单片机3通过SPI控制芯片内部的16位寄存器来控制芯片的采样功能，同时通过SPI读取12位采样结果，实际使用时，外部电路只需供3.3V电源(包括数字电源和模拟电源)，将REF(7脚)通过一个10uF电容接地，芯片即可正常工作(使用内部2.5V参考源)。

优选地，

所述多个信号放大器采用同一个±2.5V电源进行供电，所述多个AD采样芯片采用3.3V电源进行供电；

可以理解的是，由于每8路信号放大器1连接一片AD采样芯片2，所以需要注意供电问题，所有信号放大器1使用同一个±2.5V电源进行供电，在信号放大器1的电源引脚应就近焊接一个10uF和0.1uF电容来提高供电的稳定性，所有的AD采样芯片2使用3.3V电源进行供电(包括数字电源和模拟电源)，实际使用时AD采样芯片2的RST脚和DVDD电源应该直接接在3.3V电源上，不能从单片机3上引出控制信号，所以电路连接时应将RST脚和DVDD脚短接，然后一起接在3.3V电源，AD采样芯片2的TM_BUSY引脚可直接悬空，因为本申请不需要用到芯片内部的温度信息。

值得强调的是，上述实施例中总共有13块AD采样芯片2，所以单片机3通过13个IO口检测这些串行数据，AD采样芯片2是串行输出8个通道的16位数据，所以一次完整的100路采集的有效数据量是13×8×16bit＝1664bit＝208byte，为了提高单片机3的运行效率以满足100路信号的20kHz采样，单片机3采集的数据是IO口的原始数据，这些数据需要一些简单的解析才能转换成真实的数据，单片机3在采集AD数据时是按时钟来采集的，单片机3每个时钟采集来自13个AD采样芯片2的13个bit数据，一个完整采样周期需花费时钟数8×16＝128(个),一个16位数组uint16 D[128]，则D[i]，i∈[0,127]存储了第i个时钟单片机3所采集的13个bit数据，具体实现时，这13个bit存储在D[i]的高13位，D[128]存储了一次采样的所有结果，在PC端接收到这些数据时，要根据上述描述解析出每个通道的数据，PC端与单片机3USB通信的数据单位是包(package)，每一次通信上位机会决定单片机3向PC端发送的包的数量(DataNum)以及每个包的大小(PackageSize，单位Byte)。当上位机向单片机3发送这俩个数据成功以后，单片机3会接收这俩个数据并且向PC端循环发送DataNum个包，在单片机3中，发送的数据是通过指针来指定的，具体实现时，一次完整AD采样的数据量是128×2byte＝256byte，使用100个采样点作为一个package，那么一个package的大小为25.6Kbyte，包数可以随意指定，实际使用时，包数应该设置为无穷大。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”、“多”的含义是指至少两个。

应该理解，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件；当一个元件被称为“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件,此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接；使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为：表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种多路微弱生物电信号采集系统，其特征在于，包括：

信号放大器、AD采样芯片以及单片机；

所述信号放大器与所述AD采样芯片连接，所述AD采样芯片与所述单片机连接；

所述信号放大器以及AD采样芯片均设置有多个，所述AD采样芯片用于采集生物电信号，所述信号放大器用于信号采集前对每一路生物电信号进行放大；

所述多个信号放大器与一个AD采样芯片连接，所述多个AD采样芯片与单片机连接；

所述多个AD采样芯片的SCLK引脚与单片机的第一SPI接口共接；

所述多个AD采样芯片的CS引脚与单片机的第二SPI接口共接；

所述多个AD采样芯片的DIN引脚与单片机的第三SPI接口共接。

2.根据权利要求1所述的一种多路微弱生物电信号采集系统，其特征在于，所述单片机采用STM32F407，所述单片机的采样频率为20kHz。

3.根据权利要求2所述的一种多路微弱生物电信号采集系统，其特征在于，还包括USB通信模块，所述USB通信模块与单片机连接。

4.根据权利要求3所述的一种多路微弱生物电信号采集系统，其特征在于，所述信号放大器的信号放大电路为反相放大电路。

5.根据权利要求4所述的一种多路微弱生物电信号采集系统，其特征在于，所述信号放大器采用AD8628AR。

6.根据权利要求5所述的一种多路微弱生物电信号采集系统，其特征在于，所述AD采样芯片采用ADS8028。

7.根据权利要求5或6任意一项所述的一种多路微弱生物电信号采集系统，其特征在于，所述多个信号放大器采用同一个±2.5V电源进行供电，所述多个AD采样芯片采用3.3V电源进行供电。

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